Investigation of the undetected photons technique: analysis of novel parameters for practical imaging and characterization of spatial quantum correlations
Quantenräumliche Korrelationen ermöglichen Bildgebung jenseits klassischer Grenzen hinsichtlich Wellenlängenabdeckung, Auflösung und Empfindlichkeit. Diese Arbeit analysiert die Bildgebung mit nicht detektierten Photonen (UP), die räumlich korrelierte Photonpaare mit induzierter Kohärenz ohne induzierte Emission kombiniert, um Zweiphotoneninformationen mittels Einphotoneninterferenz zu rekonstruieren. UP bietet eine breite Anwendbarkeit bei moderaten technischen Anforderungen und verbessert die Bildgebung, wenn Detektoren im jeweiligen Messbereich suboptimal sind (z.B. Untersuchung von Objekten mit mittelinfrarotem Licht bei nahinfraroter Detektion sowie UV-Wechselwirkung mit Bildgebung im sichtbaren Bereich). Als Quelle für Photonpaare im UP-Aufbau wird üblicherweise die spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC) eingesetzt. Aus dieser Perspektive profitieren Orts- und Impulskonfigurationen von dünnen Kristallen; für Konfigurationen, die den Impulsraum ausnutzen, werden typischerweise größere Pumpstrahltaille bevorzugt. Folglich war die Modellierung dieser Konfiguration weitgehend auf Dünnkristall- und Groß-Strahltaille-Näherungen beschränkt. Neue potenzielle UP-Anwendungen außerhalb von Laborbedingungen erfordern höhere Photonflussraten und eine umfassende Analyse von Fehljustageeffekten. Diese Lücken werden in dieser Arbeit theoretisch und experimentell mit zwei Hauptexperimenten adressiert. Erstens wird ein neues theoretisches Modell eingesetzt, das endliche Kristalllängen beim Propagieren von SPDC-Zuständen durch einen UP-Aufbau in der Impulskonfiguration berücksichtigt. Das Modell wird durch experimentelle Daten bestätigt, in denen eine Reihe ungewöhnlich kleiner Pumpstrahltaille und langer Kristalle verwendet wird, was höhere Photonflüsse ermöglicht, jedoch die Korrelationen beeinflussen kann. Zudem wird eine detaillierte Untersuchung des Defokus entlang des Probenpfads durchgeführt. Zweitens werden Orts- und Impulskorrelationen mithilfe einer kamerabasierten Koinzidenzdetektion quantifiziert; dabei werden erstmals nichtdegenerierte Wellenlängen eingesetzt, die den Parametern der ersten Experimente entsprechen. Zur Berücksichtigung der Wellenlängendifferenz wird eine Nachverarbeitungskorrektur eingeführt. Dies ermöglicht eine präzise Zertifizierung räumlicher Verschränkung bei nichtdegenerierten Wellenlängen sowie die Quantiffzierung der verfügbaren Bildmoden innerhalb eines UP-Schemas. Diese Ergebnisse liefern praktische Leitlinien zur Auswahl von SPDC-Parametern für die angewandte Quantenbildgebung mit nicht detektierten Photonen.
Quantenräumliche Korrelationen ermöglichen Bildgebung jenseits klassischer Grenzen hinsichtlich Wellenlängenabdeckung, Auflösung und Empfindlichkeit. Diese Arbeit analysiert die Bildgebung mit nicht detektierten Photonen (UP), die räumlich korrelierte Photonpaare mit induzierter Kohärenz ohne induzierte Emission kombiniert, um Zweiphotoneninformationen mittels Einphotoneninterferenz zu rekonstruieren. UP bietet eine breite Anwendbarkeit bei moderaten technischen Anforderungen und verbessert die Bildgebung, wenn Detektoren im jeweiligen Messbereich suboptimal sind (z.B. Untersuchung von Objekten mit mittelinfrarotem Licht bei nahinfraroter Detektion sowie UV-Wechselwirkung mit Bildgebung im sichtbaren Bereich). Als Quelle für Photonpaare im UP-Aufbau wird üblicherweise die spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC) eingesetzt. Aus dieser Perspektive profitieren Orts- und Impulskonfigurationen von dünnen Kristallen; für Konfigurationen, die den Impulsraum ausnutzen, werden typischerweise größere Pumpstrahltaille bevorzugt. Folglich war die Modellierung dieser Konfiguration weitgehend auf Dünnkristall- und Groß-Strahltaille-Näherungen beschränkt. Neue potenzielle UP-Anwendungen außerhalb von Laborbedingungen erfordern höhere Photonflussraten und eine umfassende Analyse von Fehljustageeffekten. Diese Lücken werden in dieser Arbeit theoretisch und experimentell mit zwei Hauptexperimenten adressiert. Erstens wird ein neues theoretisches Modell eingesetzt, das endliche Kristalllängen beim Propagieren von SPDC-Zuständen durch einen UP-Aufbau in der Impulskonfiguration berücksichtigt. Das Modell wird durch experimentelle Daten bestätigt, in denen eine Reihe ungewöhnlich kleiner Pumpstrahltaille und langer Kristalle verwendet wird, was höhere Photonflüsse ermöglicht, jedoch die Korrelationen beeinflussen kann. Zudem wird eine detaillierte Untersuchung des Defokus entlang des Probenpfads durchgeführt. Zweitens werden Orts- und Impulskorrelationen mithilfe einer kamerabasierten Koinzidenzdetektion quantifiziert; dabei werden erstmals nichtdegenerierte Wellenlängen eingesetzt, die den Parametern der ersten Experimente entsprechen. Zur Berücksichtigung der Wellenlängendifferenz wird eine Nachverarbeitungskorrektur eingeführt. Dies ermöglicht eine präzise Zertifizierung räumlicher Verschränkung bei nichtdegenerierten Wellenlängen sowie die Quantiffzierung der verfügbaren Bildmoden innerhalb eines UP-Schemas. Diese Ergebnisse liefern praktische Leitlinien zur Auswahl von SPDC-Parametern für die angewandte Quantenbildgebung mit nicht detektierten Photonen.
Quantentechnologien versprechen die Zukunft der Informationsverarbeitung zu revolutionieren, da sie Anwendungen, wie die perfekt sichere Kommunikation sowie den Bau von Computern ermöglichen, die bestimmte Rechenaufgaben schneller als jede klassische Maschine ausführen können. Aus diesem Grund ist die Quanteninformationsforschung zu einem der Hauptforschungsbereiche der heutigen Physik geworden. Einzelne Photonen, sogenannte Lichtquanten, sind eine geeignete Plattform zum Kodieren und Verarbeiten von Quanteninformationen. Insbesondere aufgrund ihrer Mobilität sind Photonen die nat¨urlichste Wahl für Quantenkommunikation. Einer der Hauptnachteile von Photonen ist die fehlende Wechselwirkung zwischen ihnen, was die Realisierung von photonischen ”Quantentransistoren” behindert, die für die Quantenberechnung und Quantensimulation notwendig sind. Außerdem müssen sich die Photonen, unter experimentellen Bedingungen, in nicht idealen Medien ausbreiten, was einen Lichtverlust verursachen kann. Der Verlust von Photonen führt zu Fehlern in den Quantenberechnungsprotokollen und behindert die Quantenkommunikation über große Entfernungen. Viele Forschungsanstrengungen in der Quantenphotonik widmen sich daher der¨Uberwindung dieser Probleme durch technologische Verbesserungen. Die Wechselwirkung einzelner Photonen mit Materie - Atomen, Molekülen oder Festkörpersystemen - kann beide Probleme lösen. Es kann sogar eine Photon-Photon-Wechselwirkung unter Verwendung von Materialsystemen als Mediatoren realisiert werden. Photonenverluste in Quantenkommunikation können durch Quanten-Repeatern ausgeglichen werden. Diese Geräte basieren auf Quantenspeichern, die realisiert werden, indem die getragenen Informationen in den internen Zust¨anden der Materie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden können. Die Forschungsarbeiten zur photonischen Quanteninformation beschränken sich jedoch nicht nur auf technische Errungenschaften. Wichtige Erkenntnisse stammen ebenfalls aus der Untersuchung neuartiger Quantenphänomene und -protokolle, die Vorteile gegenüber klassischen beziehungsweise früheren Quantenprotokollen bieten. Die vorliegende Arbeit umfasst beide Forschungsrichtungen und präsentiert verschiedene experimentelle Projekte. Das erste Projekt beschreibt die Entwicklung und Implementierung zweier neuartiger Quantenkommunikationsprotokolle. Das zweite Projekt besteht in der Realisierung einer schmalbandigen Einzelphotonenquelle für die Wechselwirkung mit Atomen. Im ersten Quantenkommunikationsprotokoll wird experimentell gezeigt, dass ein einzelnes Photon in Quantenüberlagerung die gleichzeitige Übertragung von zwei klassischen Bits zwischen zwei entfernten Parteien in zwei entgegengesetzten Kommunikationsrichtungen ermöglicht, eine in der klassischen Physik unmögliche Aufgabe. Dieses Phänomen wird verwendet, um ein sicheres Quantenkommunikationsprotokoll zu entwickeln und zu implementieren, bei dem die Kommunikationsrichtung zwischen den Parteien privat bleibt. Im zweiten Protokoll sollen die beiden Parteien einen sicheren gemeinsamen kryptografischen Schlüssel einrichten, ohne Quantenressourcen zu verwenden, die an einen nicht vertrauenswürdigen Dritten (einen Server) delegiert werden. In diesem Sinne handelt es sich um ein Semiquantenschlüssel-Verteilungsprotokoll. Das Protokoll wird demonstriert und die sichere Schlüsselrate unter Berücksichtigung wichtiger Schwachstellen des experimentellen Aufbaus extrahiert. Das zweite Projekt ist von rein technischer Natur. Eine Quelle von Photonenpaaren mit einer spektralen Bandbreite von etwa 10 MHz wird aufgebaut und charakterisiert. Aufgrund dieser schmalen Bandbreite, können die erzeugten Photonen effizient an atomare Hyperfeinübergänge gekoppelt werden. Die Photonen werden bei einer Wellenlänge von 780 nm emittiert und sind somit auf die Hyperfeinübergänge der Rubidium-D2-Linie abgestimmt. Die Quelle basiert auf cavity-enhanced spontaneous parametric downconversion, die eine zuverlässige, relativ einfache und flexible Technik für die Erzeugung von Photonen mit schmaler Bandbreite darstellt und bezüglich ihrer Intensität frühere Quellen übertrifft. Diese Ressource soll zur Realisierung eines durch Rubidiumatome vermittelten Zwei-Photonen-Gates, in Zusammenarbeit mit externen Forschungsgruppen, eingesetzt werden
Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.
Licht wird in alltäglichen Anwendungen meist als optische Leistung gemessen, besteht jedoch grundsätzlich aus einzelnen Photonen. Diese Arbeit untersucht, wie die Photonenzählung vom Einzelphotonenbereich auf größere Photonenzahlen ausgeweitet werden kann, um so die Lücke zu klassischen optischen Leistungsmessern zu verringern. Es werden drei Ansätze entwickelt und kombiniert. Erstens wird die Quantendetektortomographie, eine Methode zur vollständigen Charakterisierung komplexer Detektoren, mithilfe effizienter Hochleistungsrechneransätze skaliert. Zweitens wird die Photonenzahlauflösung bei supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren untersucht, indem elektrische Signalkurven analysiert, ein auf Ankunftszeiten basierendes Modell entwickelt und der Einfluss von Jitter, optischer Pulsdauer und Photonenzahlzuordnung quantifiziert wird. Drittens wird die intrinsische Photonenzahlauflösung mit räumlichem und zeitlichem Multiplexing kombiniert. Das Ergebnis ist ein Detektor mit hohem Dynamikbereich, der Tausende Photonen pro Puls messen kann. Diese Arbeit zeigt, dass photonenzahlauflösende Messungen auf Bereiche ausgeweitet werden können, die bisher hauptsächlich durch klassische optische Leistungsmessungen zugänglich waren. Darüber hinaus sind diese Methoden wichtig für zukünftige photonische Quantentechnologien und Detektorsysteme mit einer steigenden Anzahl optischer Moden, die eine quantenmechanisch konsistente Beschreibung erfordern.
Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel basierend auf Halbleiternanostrukturen eine effiziente und skalierbare Quelle einzelner und ununterscheidbarer Photonen zu entwickeln. Dies ist eine Basiskomponente von zukünftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abhörsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter lösen als heutige Systeme. Ein mögliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schlüsselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, welche die physikalisch kleinstmögliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann über verschiedene Polarisationszustände dieser Photonen gegen ein Abhören nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschränkt ist, muss das Signal für größere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverstärkers stellt aber die zusätzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein müssen. Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch mögliche theoretische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann über die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden. Als vielversprechende Kandidaten für eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festkörperbasierten Ansatzes können diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erhöhung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ansätze - die kryogene in-situ-Lithographie und das positionierte Wachstum von Quantenpunkten - untersucht. Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neuartiges Materialsystem vorgestellt, welches sich zur Generation einzelner Photonen eignet. Es können spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp über 50 µeV aus Al0,48In0,52As Volumenmaterial beobachtet werden, wenn diese Schicht auf InP(111) Substraten abgeschieden wird. In Querschnitt-Rastertunnelmikroskopie-Messungen wurden ca. 16 nm große Cluster, welche eine um ungefähr 7 % höhere Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. Über die Simulation dieser Strukturen konnten diese als Quelle der spektral scharfen Emissionslinien identifiziert werden. Zudem wurde mittels Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen nachgewiesen, dass diese Nanocluster einzelne Photonen emittieren und verschieden geladene exzitonische und biexzitonische Ladungsträgerkomplexe binden können. Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zunächst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Kohärenzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavität-Systems untersucht. Über temperaturabhängige Zwei-Photonen Interferenz Messungen und dem Vergleich mit einem mikroskopischen Modell des Systems konnten gezielt die Bestandteile der Quantenpunkt-Dephasierung extrahiert werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde die gepulste, strikt resonante Anregung von Quantenpunkten als experimentelle Schlüsseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollständig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von über 98 % nachgewiesen werden. Für ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle über die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird nötig, oder die Position an der eine Mikrokavität geätzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ansätzen durchgeführt. Zunächst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat geätzter Nanolöcher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die geätzten Grenzflächen in Quantenpunkt-Nähe entstehen jedoch auch Defektzustände, die negativen Einfluss auf die Kohärenz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die kohärente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung über den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden. Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavität an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgewählten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 % Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von bis zu ν=(88±3)% sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient kohärente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen für quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.
Der Zusammenhang zwischen Interferenz und der Verfügbarkeit von Pfadinformation ist ein Merkmal der Quantenmechanik, das Physiker seit mehr als einem Jahrhundert fasziniert. In den frühen neunziger Jahren wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die einen neuen Aspekt dieses Zusammenhangs aufzeigten. In diesen Experimenten wurde Quanteninterferenz in Situationen gezeigt, in welchen verschiedene Photonenpaarquellen ein oder beide Photonen in identische Strahlen emittierten. Im Gegensatz zu Quanteninterferenzexperimenten, in denen beide Photonen korreliert detektiert werden, kann die Interferenz in diesem Fall in der Intensität eines einzelnen Photonenstrahls beobachtet werden, obwohl Photonenpaare an dem Phänomen beteiligt sind. Dies erlaubt die Beobachtung von klassisch nicht erklärbaren Effekten mit einem einzelnen Detektor. Diese Beobachtung eröffnet die Möglichkeit, die Einzelphotoneninterferenz nur durch Manipulation eines anderen Photonenstrahls zu kontrollieren, welcher selbst nicht detektiert werden muss. In den letzten Jahren hat sich ein wachsendes Forschungsgebiet um diesen als "induced coherence without induced emission" bezeichneten Interferenzeffekt etabliert, nachdem Anwendungen für Bildgebung und Spektroskopie demonstriert wurden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf grundlegende Aspekte des obigen Interferenzeffekts mit dem Ziel, unser Verständnis der Quantenkomplementarität in den daraus resultierenden ungewöhnlichen Situationen zu vertiefen. Nach einem kurzen Überblick über vergangene und aktuelle Forschung wenden wir uns experimentellen Beobachtungen des Phänomens der "induced coherence without induced emission" in einem Multimode-Szenario zu. Wir demonstrieren die Entstehung eines Interferenzsmusters in einem Strahl, indem wir einenm anderen Strahl kontrollieren, der nicht detektiert wird. Die Interfernzstreifen werden mit analogen Beobachtungen in klassischer Interferometrie verglichen und Unterschiede, insbesondere hinsichtlich ihrer Wellenlängenabhängigkeit, analysiert. Des weiteren wird ein Experiment vorgestellt, in dem nur eines von zwei Photonen eines Paares detektiert wird. Wir demonstrieren, dass das in einem einzelnen Photonenstrahl entstandene Interferenzmuster dazu verwendet werden kann, die Korrelationen zwischen beiden Photonen zu messen. Anschlie ßend wird gezeigt, dass es möglich ist, die Polarisation eines Lichtstrahls zu ändern, indem lediglich die in einem anderen Strahl verfügbare Pfadinformation geändert wird. Dieses Schema ermöglicht es, den Polarisationsgrad eines Lichtstrahls zu kontrollieren, ohne dessen Intensität zu beein ussen. Die Komplementarität in einer Situation, in der beide Photonen in identische Moden emittiert werden, wird in einem anderen Experiment untersucht. Wir führen ein Delayed- Choice-Experiment durch, das die Komplementarität zwischen Interferenz und Information über den Ursprung eines Photonenpaares illustriert. Die in diesem Experiment analysierten komplement ären Eigenschaften gehen über die häufig untersuchte Komplementarität zwischen Wellenund Teilchenverhalten hinaus. Sie erfordern eine Abstraktion des Interferenzkonzepts, welche den gesamten Photonenpaar-Emissionsprozess miteinbezieht. Schließlich wird ein Gedankenexperiment vorgestellt, in dem die Emission von Photonenpaaren aus drei nicht unterscheidbaren Quellen betrachtet wird. In diesem wird gezeigt, dass die Zuschreibung einer bestimmten Quelle als Ursprung eines Photonenpaares inkonsistent ist. Zum Abschluss werden einige offene Fragen diskutiert, die durch unsere Ergebnisse angeregt wurden.
Als erste kommerziell verfugbare Technologie der Quanteninformation ermoglicht die Quanten-Schlusselverteilung eine sichere Datenubertragung indem einzelne Photonen oder quantenmechanisch verschrankte Photonenpaare zur Erzeugung eines Schlussels verwendet werden. Die hierfur benotigten nicht-klassischen Photonen-Zustande konnen durch Halbleiter-Quantenpunkte erzeugt werden. Im Gegensatz zu anderen Quanten-Emittern wie isolierten Atomen, organischen Molekulen oder Fehlstellen in Diamantnanokristallen bieten diese zudem den Vorteil, direkt in komplexe Halbleiter-Mikrostrukturen integriert werden zu konnen. Quantenpunkte sind somit pradestiniert fur die Entwicklung neuartiger optoelektronischer Bauelemente auf einer skalierbaren Technologieplattform.
Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit die Eigenschaften elektrisch gepumpter Quantenpunkt-Mikrostrukturen untersucht. Als optisch aktives Medium dienen dabei selbstorganisierte InAs/GaAs-Quantenpunkte. Die Zielsetzung ist die Erzeugung nicht-klassischen Lichts fur Anwendungen in der Quantenkommunikation, wobei ein besonderer Fokus auf dem elektrischen Betrieb der entsprechenden Quantenlichtquellen liegt. Dabei werden sowohl ausgepragte Resonatoreffekte im Regime der schwachen Licht-Materie-Wechselwirkung ausgenutzt, um helle Einzelphotonenquellen zu realisieren, als auch die Eigenschaften korrelierter Photonenpaare zweier spektral separierter Quantenpunkt-Zustande analysiert. Als Untersuchungsmethode wird in erster Linie die spektral und zeitlich hochauflosende Mikro-Lumineszenz-Spektroskopie bei kryogenen Temperaturen eingesetzt. Zudem erfolgen Experimente zur Photonenstatistik anhand von Messungen der Auto- sowie Kreuzkorrelationsfunktion zweiter Ordnung. Wie im Folgenden aufgefuhrt, gelingt dabei der Bogenschlag von grundlegenden Untersuchungen an Quantenpunkt-Mikrostrukturen bis hin zur erstmaligen Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in realistischen Experimenten zur Quanten-Schlusselverteilung auserhalb einer geschutzten Laborumgebung.
Elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen:
Fur die Erzeugung elektrisch getriggerter, einzelner Photonen wurden Quantenpunkte in Mikroresonatoren eingebettet. Diese basieren auf dotierten, zylindrischen Fabry-Perot Mikrosaulenresonatoren, deren Design bezuglich der Photonen-Auskoppeleffizienz optimiert wurde. […] Anhand von Messungen zur Photonenstatistik konnte fur diese spektral resonant gekoppelten Quantenpunkt-Mikroresonatorsysteme sowohl unter kontinuierlicher- als auch unter gepulst-elektrischer Anregung Einzelphotonen-Emission nachgewiesen werden. […] Anhand einer eingehenden Analyse der Emissionsraten sowie der elektrischen Injektionseffizienzen bei Anregungs-Repetitionsraten von bis zu 220 MHz konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Mikroresonatoren zudem als auserst effiziente, elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen eingesetzt werden konnen. Sowohl bezuglich der Einzelphotonen-Emissionsraten von bis zu (47,0+/-6,9) MHz als auch der Gesamteffizienz der Bauteile bis hin zu (34+/-7) % konnten dabei Rekordwerte erzielt werden.
Korrelierte Photonenpaare elektrisch gepumpter Quantenpunkte:
[…]
Quanten-Schlusselverteilung mit elektrisch getriggerten Einzelphotonenquellen:
Ausgehend von den grundlegenden Untersuchungen dieser Arbeit, erfolgte die erstmalige Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in Experimenten zur Quanten-Schlusselverteilung. Basierend auf den eingehend analysierten Quantenpunkt-Mikroresonatoren, wurden dabei zwei Experimente in Freistrahloptik mit unterschiedlichen Ubertragungsdistanzen durchgefuhrt. In beiden Fallen wurde ein BB84-Protokoll nachgeahmt, indem auf die einzelnen Photonen eine feststehende Abfolge von vier unterschiedlichen Polarisationszustanden aufmoduliert wurde. Das erste Experiment, durchgefuhrt im Labormasstab in Wurzburg, basierte auf einem Quantenkanal mit einer Lange von etwa 40 cm und arbeitete bei einer Taktrate von 183 MHz. Die hochste dabei erzielte ausgesiebte Schlusselrate (engl. sifted-key rate) betrug 35,4 kbit/s bei einem Quanten-Bitfehlerverhaltnis (QBER) von 3,8 %. Der Einzelphotonen-Charakter der Emission innerhalb des Quantenkanals konnte jeweils eindeutig nachgewiesen werden […].
Das zweite Experiment zur Quanten-Schlusselverteilung wurde mittels zweier Teleskope uber eine Distanz von 500 m in der Munchner Innenstadt zwischen den Dachern zweier Gebaude der Ludwig-Maximilians-Universitat realisiert. […] Bei einer Taktrate von 125 MHz konnte mit diesem System im Einzelphotonen-Regime eine maximale sifted-key rate von 11,6 kbit/s bei einem QBER von 6,2 % erzielt werden. Diese erstmalige Implementierung elektrisch betriebener, nicht-klassischer Lichtquellen in Experimenten zur Quanten-Schlusselverteilung stellt einen wichtigen Schritt hinsichtlich der Realisierung effizienter und praktikabler Systeme fur die Quantenkommunikation dar.